МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ВДОСКОНАЛЕННЯ КИСНЕВО-ВОДНЕВОГО ПАЛИВНОГО ЕЛЕМЕНТА
DOI:
https://doi.org/10.31319/2519-8106.2(51)2024.317622Ключові слова:
винахідницький процес, паливний елемент, каталізатори, технічна суперечністьАнотація
Моделювання процесу вдосконалення киснево-водневого паливного елемента є актуальним завданням, оскільки таке моделювання в руслі теорії вирішення винахідницьких задач дозволяє краще бачити шляхи пошуку сильних винахідницьких рішень. Крім того, таке моделювання допомагає досліднику та інженеру подолати психологічну інерцію, підвищити ефективність наукових досліджень і конструкторсько-технологічних розробок. Замість інтуїтивного пошуку і перерахування багатьох варіантів таке моделювання винахідницького процесу дозволяє суттєво скоротити його тривалість.
Метою даного дослідження є моделювання процесу вдосконалення киснево-водневого паливного елемента. Другою метою дослідження є вирішення проблеми покращення технічних характеристик паливного елемента та зниження його вартості за допомогою моделювання.
У роботі проведено ретроспективний аналіз процесу модернізації киснево-водневих паливних елементів з позиції теорії вирішення винахідницьких задач, запропоновано якісні моделі технічної системи, що досліджується, а також процесу її вдосконалення. Отримані якісні математичні моделі представлені у вигляді традиційних діаграм, відповідно до теорії вирішення винахідницьких задач. Застосовано такі методи, як «вепольний» («речовина-поле») аналіз, пошук і подолання технічної суперечності.
На основі якісних моделей розроблені конкретні рішення для покращення технічних характеристик киснево-водневого паливного елемента. Зокрема,використання правила добудови «веполей» дозволило глибше осмислити заміну рідкого електроліту на протонообмінну мембрану (твердополімерний електроліт). А використання правил добудови і розвитку «веполей» дозволило розробити розсікачі потоків водню і кисню, та запропонувати заміну платинових каталізаторів на каталізатори з нанопорошку нікелю в корозійностійкій оболонці (із вуглецю).
За допомогою розсікачів газових потоків та заміни дорогих платинових каталізаторів на більш дешеві каталізатори з нанопорошку нікелю в корозійностійкій оболонці вдалося здешевити паливний елемент,а також дещо підвищивши його питому потужність. Це підтвердили попередні випробування макету паливного елементу. Надалі автори планують провести більш детальне моделювання проблеми зниження терміну служби паливних елементів через дезактивацію каталізатора.
Посилання
Lekcija 4. Tema lekcii «Palivni elementi» (2020) [Lecture 4. Topic of the lecture «Fuel cells» (2020)]. Kafedra himiji. Prikarpatskji nacionalnji universitet imeni Vasilja Stefanika. [in Ukrai-nian]. URL: https://kc.pnu.edu.ua/wp-content/uploads/sites/11/2020/09/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D1%96%D1%8F-4.-%D0%9F%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%96-%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8.pdf.
Palivniy element (30.12.2019) [Fuel cell (30.12.2019)]. [in Ukrainian]. URL: https://techemy.com/2019/12/30/.
Skosar, V.Yu., Burylova, N.V., Kaminskji, V.R., Burylov, S.V. (2024). Modeluvanna vinahid-nitskogo processu na prikladi palivnogo elementa [Modeling the inventive process using the ex-ample of a fuel cell]. Materiali Vseukrainskoy naukovo-metodichnoy konferenciji «Problemi ma-tematichnogo modeluvanna», (22-24 travnja 2024 roku, m. Kamianske), P. 75-77. [in Ukrainian]. URL: https://www.dstu.dp.ua/uni/downloads/zbirn_2024.pdf.
Starovoytova, Madara D. (2015). Theory of inventive problem solving (TRIZ): his-story. International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol. 2, Issue 7. [in English]. URL: https://www.researchgate.net/publication/304299714_Theory_of_inventive_problem_solving_TRIZ_his-story.
Fiorineschi, L., Frillici, F.S., Rotini, F. (2018). Enhancing functional decomposition and mor-phology with TRIZ: Literature review. Computers in Industry. № 94. P. 1-15. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.compind.2017.09.004.
Struckji О.V., Sobko О.О., Gumenna M.А. et. al. (2019). Polimerni organo-neorganichni proto-noobminni membrani na osnovi protonnoj anionnoj oligomernoj ionnoj ridini giperrozgaluzhenoj budovi [Polymeric organic-inorganic proton exchange membranes based on a proton anionic oligomeric ionic liquid with a hyperbranched structure]. Polimerniy zhurnal. 41, №2. P. 123-129. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/polymerj.
Chong, L., Wen, J., Kubal, J., Sen, F.G., Zou, J., Greeley, J., Chan, M., Barkholtz, H., Ding, W. (2018). Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frame-works. Science. Т. 362, № 6420. P. 1276-1281. [in English]. https://doi.org/10.1126/science.aau0630.
Huang, L., Zaman, S., Tian, X., Wang, Z., Fang, W., Xia, B.Yu. (2021). Advanced Platinum-Based Oxygen Reduction Electrocatalysts for Fuel Cells. Accounts of Chemical Research. Т. 54, № 2. P. 311-322. [in English]. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00488.
Question: 2. A Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel cell is shown in Figure 1 (2024). [in English]. URL: https://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/2-proton-exchange-membrane-pem-fuel-cell-shown-figure-1-appendix-pem-fuel-cell-operated-90-q66237684.
Rogalskji, S.P., Tarasjiuk, О.P., Dzuzha, О.V. et. al. (2017). Protonoobminni membrani dlja palivnih elementiv na osnovi zchitogo polimidu i protonnih ionnih ridin. МPК C08J 5/22 (2006.01). Pat. № 117498 Ukraine. Zayav. № u201700871, 31.07.2017. Opubl. 26.06.2017. Bul. №12. [in Ukrainian].
Braverman, V.Ya., Krush, І.B. (2021). Sposib pidvishenna energoefectivnosti virobnitsva elek-trichnoji energiji, sho generuetsa vodnevim palivnim elementom. МPК (2021.01) F24F 11/00. Pat. № 146564 Ukraine. Zayav. № u202004865, 29.07.2020. Opubl. 03.03.2021. Bul. №9. [in Ukrainian].
Han, F., Yoon, S., Raghavan, N., Yang, B., Park, H. (2024).Technological trajectory in fuel cell technologies: A patent-based main path analysis. International Journal of Hydrogen Energy. Vol. 50, Part C. P. 1347-1361. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.10.274.
Andreasen, K.P., Sovacool, B.K. (2015). Hydrogen technological innovation systems in practice: comparing Danish and American approaches to fuel cell development. Journal of Cleaner Production. Vol. 94. P. 359-368. [in English]. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.01.056.
Hydrogen Fuel Cell vs Lithium Ion – The Future of Transport (12.08.2020). [in English]. URL: https://ams-composites.com/hydrogen-fuel-cell-vs-lithium-ion-the-future-of-transport.
Лекція 4. Тема лекції «Паливні елементи» (2020). Кафедра хімії. Прикарпатський національний університет імени Василя Стефаніка. URL: https://kc.pnu.edu.ua/wp-content/uploads/sites/11/2020/09/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D1%96%D1%8F-4.-%D0%9F%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%96-%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8.pdf (дата звернення 15.11.2024).
Паливний елемент (30.12.2019) URL: https://techemy.com/2019/12/30/ (дата звернення 15.11.2024).
Скосар В.Ю., Бурилова Н.В., Камінський В.Р., Бурилов С.В. Моделювання винахідницького процесу на прикладі паливного елемента. Матеріали Всеукраїнської науково-методичної конференції «Проблеми математичного моделювання», (22-24 травня 2024 року, м. Кам’янське), С. 75-77. URL: https://www.dstu.dp.ua/uni/downloads/zbirn_2024.pdf
Starovoytova Madara D. Theory of inventive problem solving (TRIZ): his-story. International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol. 2 Issue 7, July 2015. URL: https://www.researchgate.net/publication/304299714_Theory_of_inventive_problem_solving_TRIZ_his-story.
Fiorineschi L., Frillici F. S., Rotini F. Enhancing functional decomposition and morphology with TRIZ: Literature review. Computers in Industry. 2018. № 94. P. 1-15. https://doi.org/10.1016/j.compind.2017.09.004.
Стрюцький О. В., Собко О. О., Гуменна М. А. та інш. Полімерні органо-неорганічні протонообмінні мембрани на основі протонної аніонної олігомерної іонної рідини гіперрозгалуженої будови. Полімерний журнал. 2019. 41, № 2. С. 123-129. https://doi.org/10.15407/polymerj.
Chong, Lina; Wen, Jianguo; Kubal, Joseph; Sen, Fatih G.; Zou, Jianxin; Greeley, Jeffery; Chan, Maria; Barkholtz, Heather; Ding, Wenjiang. Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks. Science. 2018. Т. 362, № 6420. P. 1276-1281. https://doi.org/10.1126/science.aau0630.
Huang Lei, Zaman Shahid, Tian Xinlong, Wang Zhitong, Fang Wensheng, Xia Bao Yu. Ad-vanced Platinum-Based Oxygen Reduction Electrocatalysts for Fuel Cells. Accounts of Chemical Research. 2021. Т. 54, № 2. с. 311-322. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00488.
Question: 2. A Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel cell is shown in Figure 1 (2024). URL: https://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/2-proton-exchange-membrane-pem-fuel-cell-shown-figure-1-appendix-pem-fuel-cell-operated-90-q66237684.
Рогальський С.П., Тарасюк О.П., Джужа О.В. та інш. Протонообмінні мембрани для паливних елементів на основі зшитого поліміду і протонних іонних рідин. МПК C08J 5/22 (2006.01). Пат. № 117498 Україна. Заяв. № u201700871, 31.07.2017. Опубл. 26.06.2017. Бюл. №12.
Браверман В.Я., Круш І.Б. Спосіб підвищення енергоефективності виробництва електричної енергії, що генерується водневим паливним елементом. МПК (2021.01) F24F 11/00. Пат.
№ 146564 Україна. Заяв. № u202004865, 29.07.2020. Опубл. 03.03.2021. Бюл. № 9.
Fang Han, Sejun Yoon, Nagarajan Raghavan, Bin Yang, Hyunseok Park.Technological trajectory in fuel cell technologies: A patent-based main path analysis. International Journal of Hydrogen Energy. Vol. 50, Part C, 2 January 2024, P. 1347-1361. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.10.274.
Kristian Peter Andreasen, Benjamin K. Sovacool. Hydrogen technological innovation systems in practice: comparing Danish and American approaches to fuel cell development. Journal of Clean-er Production. Vol. 94, 1 May 2015, P. 359-368. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.01.056.
Hydrogen Fuel Cell vs Lithium Ion – The Future of Transport (12.08.2020). URL: https://ams-composites.com/hydrogen-fuel-cell-vs-lithium-ion-the-future-of-transport (дата звернення 15.11.2024).
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
a. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
b. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
c. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
